(57)【要約】【課題】同じマイクロリアクターで多種の反応や条件変更に対応でき、且つ反応によって生成された凝集物や析出物で反応流路が目詰まりして閉塞することがない。【解決手段】１つの反応流路５６に連通する複数の供給路５０、５２、５４を同心軸の多重筒構造にして、複数の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれの供給路５０、５２、５４を通して反応流路５６に合流させることにより、これらの流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を同心軸で積層させて該同心軸に直交する断面が環状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散して反応を行わせるマイクロリアクターの反応の際に、積層された複数の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のうち、少なくとも１つの流体は他の流体との反応に関与しない流体で構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの反応流路に連通する複数の流体供給路を同心軸の多重筒構造にして、複数の流体をそれぞれの流体供給路を通して前記反応流路に合流させることにより、これらの流体を同心軸状に積層させて該同心軸に直交する断面が環状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散して反応を行わせるマイクロリアクターを用いた反応方法であって、
前記積層された複数の流体のうち、少なくとも１つの流体は他の流体の反応に関与しない流体であることを特徴とするマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項２】
前記反応流路の開口幅が１μｍ以上、１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項３】
前記積層された層流を３種類以上の流体で構成すると共に、これらの流体のうち反応に関与する流体同士で形成する層流の間に、前記反応に関与しない流体の層流を挟むことを特徴とする請求項１又は２のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項４】
前記積層された層流を３種類以上の流体で構成すると共に、これらの流体のうち前記反応流路の壁面に接触する層流の流体として前記反応に関与しない流体を使用することを特徴とする請求項１〜３の何れか１のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項５】
前記積層された層流を３種類以上の流体で構成すると共に、これらの流体のうち反応に関与する流体が規則的な環状の層流を形成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項６】
前記反応に関与しない流体の流量を増減することにより、前記反応に関与する流体の厚みを可変することを特徴とする請求項１〜５の何れか１のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項７】
前記反応に関与しない流体は前記反応に関与する流体の溶媒成分であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項８】
前記積層された層流を３種類以上の流体で構成すると共に、これらの流体のうち反応に関与する流体同士で形成する層とは別に、その反応生成物を抽出分離するための抽出用流体の層を形成し、反応によって生成された所望の生成反応物を前記抽出用流体で抽出分離することを特徴とする請求項１〜７の何れか１のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項９】
前記同心軸の多重筒構造に形成された各流体供給路のそれぞれには、複数の流体供給口が前記多重筒構造の周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【請求項１０】
前記反応流路を流れる流体の反応温度を制御することを特徴とする請求項１〜９の何れか１のマイクロリアクターを用いた反応方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロリアクターを用いた反応方法に係り、特に、化学工業や医薬品工業の分野で、流体の反応によって材料や製品を製造する装置であり、更に詳しくは複数の流体をそれぞれの流体供給路を通して１本の反応流路に合流し、これらの流体を薄片状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散することにより反応を行うマイクロリアクターを用いた反応方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化学工業、或いは医薬品、試薬等の製造に係る医薬品工業では、マイクロミキサー又はマイクロリアクターと呼ばれる微小容器を用いた新しい製造プロセスの開発が進められている。マイクロミキサー又はマイクロリアクターには、複数本の微細な流体供給路に繋がるその断面を円形に換算した場合の等価直径（円相当直径）が数μｍ〜数百μｍ程度の微小空間（反応流路）が設けられており、複数本の流体供給路を通して複数の流体を微小空間に合流することで、複数の流体を混合し、又は混合と共に化学反応を生じさせる。マイクロミキサーとマイクロリアクターとは基本的な構造は共通とされているが、特に、複数の流体を混合するものをマイクロミキサーと言い、複数の流体を混合する際に化学反応を伴うものをマイクロリアクターと言う場合がある。従って、本発明のマイクロリアクターはマイクロミキサーも含むものとする。
【０００３】
このようなマイクロリアクターとしては、例えば特許文献１、特許文献２、或いは特許文献３に開示されているものがある。これらのマイクロリアクターは何れも２種類の流体をそれぞれ微細な流体供給路を通し、極めて薄い薄片状の層流として微小空間内に導入するもので、この微小空間内で２種類の流体同士を混合及び反応させるものである。
【０００４】
次に、上記のようなマイクロリアクターによる反応が攪拌タンク等を用いたバッチ式の混合や反応と異なる点を説明する。即ち、化学反応は、一般に反応流体の界面において分子同士が出会うことによって起こるので、微小空間内で反応を行うと相対的に界面の面積が大きくなり、反応効率は著しく増大する。また、分子の拡散そのものも拡散時間は距離の二乗に比例する。このことは、微小空間のスケールを小さくするに従って反応流体を能動的に混合しなくても、分子の拡散によって混合が進み、反応が起こり易くなることを意味する。また、微小空間においては、スケールが小さいために層流支配の流れとなり、流体同士が層流状態となって流れながら流れに直交する方向に拡散し反応されていく。
【０００５】
このようなマイクロリアクターを用いれば、例えば、反応の場として大容積のタンク等を用いた従来のバッチ方式と比較し、流体同士の反応時間及び反応温度の高精度な制御が可能になる。また、バッチ方式の場合には、特に、反応時間が速い流体同士では混合初期の反応接触面で反応が進行し、さらに流体間の反応より生成された一次生成物がタンク内で引き続き反応を受けてしまうことから、不均一な反応生成物が生成されてしまう虞れがある。これに対して、マイクロリアクターの場合には、流体が微小空間内で殆ど滞留することなく連続的に流通するので、流体間の反応によって生成された一次生成物が微小空間内で引き続き反応を受けることがない。従って、従来では取り出すことが困難であった純粋な一次生成物をも取り出すことが可能となる。
【０００６】
また、実験的な製造設備により製造された少量の化学物質を大規模な製造設備によりスケールアップして大量に製造する際には、従来、実験的な製造設備に対し、バッチ方式による大規模の製造設備での再現性を得るために多大の労力と時間を要していた。しかし、製造量に応じてマイクロリアクターを用いた製造ラインを並列化するナンバリングアップの考えにより、このような再現性を得るための労力や時間を大幅に減少できる可能性がある。
【０００７】
【特許文献１】
ＰＣＴ国際公開公報ＷＯ  ００／６２９１３号
【０００８】
【特許文献２】
特表２００３−５０２１４４号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開２００２−２８２６８２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、マイクロリアクターは流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散する物質拡散が反応の基本であるため、微小空間である反応流路の開口幅、即ち流体の流れと直交する距離が反応の特性を決定する。そして、その反応の特性に合わせてマイクロリアクターの吐出口で流体同士の拡散及び反応が終了するように、流体を反応流路内を流通（滞留）させる。このような基本原理から設計されたマイクロリアクターを製造プロセスに組み込んだ場合、流体の反応特性（拡散速度や反応速度）に応じて反応流路の開口幅が最適に設定されているので、同じマイクロリアクターで反応特性の異なる流体を反応させようとした場合には最適な反応を行うことができない。多少の対応ができたとしても、対応可能な反応変更や条件変更、或いは生成物特性の変更の範囲は非常に限られたものとなる。従って、製造ラインを専用ラインにするか、又は反応や条件、或いは生成物特性に合わせてマイクロリアクターを適切なものに交換する等の作業が必要であり、設備コストや交換のための時間ロスが発生するという欠点がある。
【００１１】
また、反応流路において凝集や析出を伴う反応を行う場合に問題になるのは、その反応によって生じる凝集物や析出物が反応流路の壁面に付着堆積して反応流路に目詰まりを発生させることである。これを防止するには、反応流路の壁面に凝集物や析出物が付着しづらい表面処理、例えばコーティング剤をコーティングする方法もあるが、コーティング剤の付着防止効果は凝集物や析出物の種類によって異なるので、取り扱う流体に合わせてコーティング剤を変えなくてはならず、本質的な解決にはならない。これにより、従来のマイクロリアクターを用いた反応では、目詰まり故障が頻繁に発生すると共に、目詰まり故障を解消するための分解掃除を頻繁に行わなくてはならないという欠点がある。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、同じマイクロリアクターで多種の反応や条件変更に対応でき、且つ反応によって生成された凝集物や析出物で反応流路が目詰まりして閉塞することがないので、故障や分解掃除を極力減少することのできるマイクロリアクターを用いた反応方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、１つの反応流路に連通する複数の流体供給路を同心軸の多重筒構造にして、複数の流体をそれぞれの流体供給路を通して前記反応流路に合流させることにより、これらの流体を同心軸状に積層させて該同心軸に直交する断面が環状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散して反応を行わせるマイクロリアクターを用いた反応方法であって、前記積層された複数の流体のうち、少なくとも１つの流体は他の流体の反応に関与しない流体であることを特徴とする。
【００１４】
ここで、本発明で「反応」と言う場合には、混合を伴った反応も含むものとする。反応の種類としては、無機物質や有機物質などを対象としたイオン反応、酸化還元反応、熱反応、触媒反応、ラジカル反応、重合反応等の様々な反応形態が含まれる。また、流体には、液体、気体、液体中に金属微粒子等が分散された固液混合物、気体中に金属微粒子等が分散された固気混合物、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混合物等も含まれる。複数の流体には、流体の種類が異なったり、化学組成が異なったりする場合のみならず、例えば温度、固液比などの状態が異なる場合も含まれる。また、多重筒構造には多重円筒構造に限らず、多重多角筒構造も含まれる。
【００１５】
本発明の請求項１によれば、積層された複数の流体のうち、少なくとも１つの流体は他の流体との反応に関与しない流体を使用するようにしたので、流体同士の積層の仕方を色々組み換えたり、反応に関与しない流体の流量を増減したりすることにより、反応に関与する流体の厚みを変化させることで、同じマイクロリアクターで多種の反応や条件変更に対応できる。また、複数の流体供給路を同心軸の多重筒構造にして、複数の流体を反応流路において環状の層流として流通させるようにしたので、反応によって生成された凝集物や析出物が反応流路の壁面に付着堆積しにくくなり、反応流路が目詰まりしないようにできる。また、各流体供給路を多重筒構造に形成することにより、各流体供給路の開口幅を変えずに多重筒構造の径を大きくすれば、それだけ流体供給路の断面形状である円形が大きくなる。これにより、流体供給路の容積が大きくなるので、取り扱う流体の反応特性に好適な各流体供給路の開口幅を維持しながら簡単に処理量を増加できる。
【００１６】
請求項２は請求項１において、前記反応流路の開口幅が１μｍ以上、１０００μｍ以下であることを特徴とする。これは、微小空間である反応流路の開口幅のスケールの好ましい範囲を具体的に示したものである。
【００１７】
本発明の請求項３は請求項１又は２において、前記積層された層流を３種類以上の流体で構成すると共に、これらの流体のうち反応に関与する流体同士で形成する層流の間に、前記反応に関与しない流体の層流を挟むことを特徴とする。
【００１８】
請求項３によれば、反応に関与しない流体の層に対して反応に関与する両脇の流体の層から拡散してきたそれぞれの溶質を、反応に関与しない流体の層で適度な希釈を受けた状態で反応させることができるので、高濃度条件下で溶質同士を反応させた場合に発生する凝集を防止したり、反応によって生成される反応生成物の均質化を向上させることができる。
【００１９】
本発明の請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記積層された層流を３種類以上の流体で構成すると共に、こられの流体のうち前記反応流路の壁面に接触する層流の流体として前記反応に関与しない流体を使用することを特徴とする。
【００２０】
請求項４によれば、反応に関与する流体や反応によって生成された反応生成物が反応流路の壁面に接触しないように、反応流路の壁面に接触する層流の流体として反応に関与しない流体を使用するようにした。これにより、流体の流速が遅い反応流路の壁面近傍では反応が起こりにくくなり、反応によって生成された凝集物や析出物が付着堆積しにくくなるので、反応流路の目詰まりを抑制できる。
【００２１】
本発明の請求項５は請求項１〜４の何れか１において、前記反応に関与しない流体の流量を増減することにより、前記反応に関与する流体の厚みを可変することを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項５は請求項１〜４の何れか１において、前記積層された層流を３種類以上の流体で構成すると共に、これらの流体のうち反応に関与する流体が規則的な環状の層流を形成することを特徴とする。例えば、反応に関与する流体Ａと流体Ｂを規則性をもった年輪状の層として交互に配列すれば、外側と内側の両方からの拡散により反応が行われるため、反応を促進できる。また、反応に関与する流体Ａと流体Ｂを規則性をもった年輪状の層として交互に配列すれば、一層あたりの流体の厚みを薄くできるので、それによっても反応は促進する。
【００２３】
本発明の請求項６は請求項１〜５の何れか１において、前記反応に関与しない流体の流量を増減することにより、前記反応に関与する流体の厚みを可変することを特徴とする。
【００２４】
請求項６によれば、反応に関与しない流体の流量を増減することにより、反応に関与する流体の厚みを可変するので、取り扱う流体の反応特性に合わせて反応に関与する流体の厚みを可変することができる。これにより、同じマイクロリアクターで多種の反応や条件変更に対応できる。
【００２５】
本発明の請求項７は請求項１〜６の何れか１において、前記反応に関与しない流体は前記反応に関与する流体の溶媒成分であることを特徴とする。
【００２６】
反応に関与しない流体としては、反応に関与する流体の溶媒液体が好適であり、流体として気体を使用する場合には溶媒ガスが好適である。
【００２７】
本発明の請求項８は請求項１〜７の何れか１において、前記積層された層流を３種類以上の流体で構成すると共に、これらの流体のうち反応に関与する流体同士で形成する層とは別に、その反応生成物を抽出分離するための抽出用流体の層を形成し、反応によって生成された所望の生成反応物を前記抽出用流体で抽出分離することを特徴とする。
【００２８】
請求項８によれば、反応生成物を抽出分離するための抽出用流体の層を形成するようにしたので、反応に関与する流体同士で反応を行い、ある程度反応生成物ができたところで、抽出用流体と出会わせて反応生成物を抽出分離する。この場合、各流体の層流は崩れないので、反応生成物を抽出分離した後で抽出用流体の層のみを分離して取り出せば、反応生成物を効率的に分離することができる。
【００２９】
本発明の請求項９は請求項１〜８の何れか１において、前記同心軸の多重筒構造に形成された各流体供給路のそれぞれには、複数の流体供給口が前記多重筒構造の周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする。これにより、流体供給路に均等に流体を供給することができるので、反応流路で合流して形成される同軸状に積層された断面が環状の層流を確実に形成することができる。
【００３０】
本発明の請求項１０は請求項１〜９の何れか１において、前記反応流路を流れる流体の反応温度を制御することを特徴とする。これにより、反応速度を調整することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係るマイクロリアクターを用いた反応方法の好ましい実施の形態について詳説する。
【００３２】
図１は、本発明のマイクロリアクターの反応方法を適用できるマイクロリアクター構造の一例を示した断面図であり、流体として３種類の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を使用した場合である。
【００３３】
図１に示されるように、マイクロリアクター１０は、全体として略円柱状に形成されており、装置の外殻部を構成する円筒状の円管部２２を備えている。ここで、図中における直線Ｓは装置の軸心を示しており、この軸心Ｓに沿った方向を装置の軸方向として以下の説明を行う。この円管部２２の先端面には流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が反応した後の反応流体ＬＭの吐出口２６が開口し、また円管部２２の先端部には吐出口２６の外周側に延出するようにリング状のフランジ部２８が設けられる。このフランジ部２８は反応流体ＬＭに対して次の処理を行う他のマイクロリアクター等に送液する配管等に接続される。
【００３４】
円管部２２の基端面は円板状の蓋板３０により閉塞されており、この蓋板３０の中心部には円形の嵌挿穴３２が穿設されている。円管部２２内には、その基端部側から円管部２２内へ挿入されるように円柱状の整流部材３４が同軸的に設けられており、整流部材３４の基端部は蓋板３０の嵌挿穴３２に嵌挿支持されている。
【００３５】
円管部２２内には、円管部２２内の空間を軸方向に沿って区画する円筒状の第１隔壁部材４３及び第２隔壁部材４４が多重筒状に設けられ、各隔壁部材４３、４４の基端面が蓋板３０に固着される。これらの隔壁部材４３、４４は、円管部２２及び整流部材３４とそれぞれ同軸的に配置されており、円管部２２と整流部材３４との間の断面円環状の空間を同軸的に３分割するように区画している。この分割の割合は、流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の供給量の比に応じて決定される。そして、円管部２２の内周面と第１隔壁部材４３の外周面との間に複数個（本実施の形態では４個）のスペーサ５８が介装されると共に、第１隔壁部材４３と第２隔壁部材４４との間に複数個（本実施の形態では４個）のスペーサ６０が介装される。更に、第２隔壁部材４４の内周面と整流部材３４の外周面との間にも複数個（本実施の形態では４個）のスペーサ６２が介装される。これら複数個のスペーサ５８、６０、６２はそれぞれ矩形プレート状に形成され、その表裏面部が円管部２２内における流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流通方向（矢印Ｆ方向）と平行になるように支持される。これらのスペーサ５８、６０、６２は、２個の隔壁部材４３、４４及び整流部材３４を円管部２２に対して連結固定し、流体供給路５０、５２、５４の径方向（流体の流れ方向に直交する方向）の開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３（図２（Ａ）参照）を設定している。これにより、２個の隔壁部材４３、４４及び整流部材３４がそれぞれ十分な強度で円管部２２に連結固定され、流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の液圧や重力の影響により所定位置から変移したり、変形することが防止されると共に、開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３が予め設定された寸法に確実に維持される。
【００３６】
ここで、第１及び第２の隔壁部材４３、４４により区画された断面円環状の空間を、外側から順に第１流体供給路５０、第２流体供給路５２及び第３流体供給路５４とされる。また、円管部２２の基端面に設けられた蓋板３０には、それぞれの流体供給路５０、５２、５４に連通する嵌挿穴が穿設されており、この嵌挿穴に、これら第１〜第３の流体供給路５０、５２、５４に流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を供給する流体供給配管３８、４０、４２が接続される。これにより、これらの流体供給配管３８、４０、４２を通して、第１〜第３の流体供給路５０、５２、５４には、マイクロリアクター１０の上流側に設置された３個の流体供給源（図示せず）から加圧状態とされた流体Ｌ１、Ｌ２及びＬ３が供給される。
【００３７】
また、円管部２２内には、隔壁部材４３、４４よりも先端側であって整流部材３４の円錐部３７よりも基端部側に流体供給路５０、５２、５４に連通する断面円環状の空間が形成され、この断面円環状の空間は、流体供給路５０、５２、５４からそれぞれ供給された流体Ｌ１、Ｌ２及びＬ３とが合流して反応を行う反応流路５６とされる。
【００３８】
図１（Ｂ）に示されるように、第１流体供給路５０及び第２流体供給路５２及び第３流体供給路５４の先端部には、それぞれ反応流路５６内へ開口する第１流体供給口６４及び第２流体供給口６６及び第３流体供給口６８が形成される。これらの流体供給口６４、６６、６８は、それぞれ軸心Ｓを中心とする円軌跡に沿って断面円環状に開口し、互いに同心円状となるように配設されている。ここで、開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、それぞれ流体供給口６４、６６、６８の開口面積を規定し、この流体供給口６４、６６、６８の開口面積と流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の供給量に応じて、流体供給口６４、６６、６８を通して反応流路５６内へ導入される流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の初期流速が定まる。これらの開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、例えば、流体供給口６４、６６、６８を通して反応流路５６内へ供給される流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流速が互いに等しくなるように設定される。
【００３９】
円管部２２内における反応流路５６よりも先端側の空間は、反応流路５６内で流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応が行われた反応流体ＬＭが吐出口２６に向かって流れる出液路７０とされる。ここで、反応流体ＬＭが流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応により生成される場合には、反応流路５６内の出口部で流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応が完了している必要がある。従って、反応流路５６の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の流通方向に沿った路長ＰＬ（図１（Ａ）参照）は、流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応が完了する長さに設定する必要がある。尚、マイクロリアクター１０内には、常に、流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びこれらの反応された反応流体ＬＭが隙間なく充填され、吐出口２６側へ流通しているものとする。
【００４０】
また、図１（Ａ）に示したように、円管部２２の外周には、水やオイル等の熱容量が比較的大きな熱媒体Ｃ２、Ｃ３が流れる２個のジャケット７２、７４が巻回され、ジャケット７２、７４は図示しない熱媒体供給装置に接続される。熱媒体供給装置からは、円管部２２内における流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の反応温度を制御する熱媒体Ｃ２、Ｃ３がジャケット７２、７４に供給され、再び熱媒体供給装置に循環される。ジャケット７２、７４に供給する熱媒体Ｃ２、Ｃ３の温度Ｔ２、Ｔ３は、反応温度、又は流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の種類等によって適宜設定することが好ましく、温度Ｔ２、Ｔ３を変えてもよい。また、整流部材３４は、外郭部が肉薄状で内部が中空状とされ、整流部材３４内には、その基端側から整流部材３４の内径よりも小径とされた熱媒体供給管７６が挿入されており、熱媒体供給管７６は整流部材３４の基端側の開口を閉塞する閉塞板（図示せず）及び複数個のスペーサ７８により整流部材３４と同軸的に支持される。熱媒体供給管７６の先端開口７７は円錐部３７の付け根付近に達しており、その先端面には、整流部材３４内に熱媒体Ｃ１を供給する供給口８０が開口される。かかる供給口８０から熱媒体供給管７６にも、熱媒体供給装置から温度Ｔ１の熱媒体Ｃ１が供給され、反応温度が制御される。
【００４１】
マイクロリアクター１０に用いられる接液部の材料としては、鉄、アルミニウム、ステンレス、チタン、各種合金等の金属材料、フッ素樹脂やアクリル樹脂等の樹脂材料、シリコンやガラス等のガラス材料を用いることができる。
【００４２】
上記の如く構成されたマイクロリアクター１０では、適切な反応温度条件下で、流体供給路５０、５２、５４を流れた流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、反応流路５６で合流して同心円状に積層された断面円環状の層流となって流通する。そして、反応流路５６内を流通する３つの流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、互いに隣接する層流間の接触界面で各流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の分子が相互に拡散して反応される。これにより、流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は均一な反応を短時間で完了させることができる。この場合、反応流路５６における流体の厚みは薄くして拡散距離を短くすることが重要であり、反応流路５６の開口幅Ｗａ（図１、図２参照）は１μｍ以上、１０００μｍ以下であることが必要である。
【００４３】
図２は、マイクロリアクター１０の変形例であり、円管部２２にテーパ部２２Ａを形成して、複数の流体の合流点近傍２４における反応流路５６の開口幅を縮径して流れを縮流するようにした場合である。この場合、図２（Ａ）に示すように、第１及び第２の隔壁部材４３、４４の先端部にも円管部２２のテーパ部２２Ａの傾斜と略平行な傾斜のテーパ部４３Ａ、４４Ａを形成することが好ましい。これにより、スムーズな縮流を行うことができる。また、縮流前の各流体供給路５０、５２、５４の開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を合計Ｗｂ（縮流前の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の厚み合計と同じ）とし、縮流後の反応流路５６の開口幅をＷａ（縮流後の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の厚み合計と同じ）としたときに、Ｗｂ／Ｗａ＜１になるようにする。この場合、従来のように縮流しないでマイクロリアクターを製作しようとすると、流体供給路５０、５２、５４は複数（少なくとも２本）を必要とするので、１本の流体供給路の開口幅は反応流路５６の開口幅Ｗａよりも小さくせざるを得ない。しかし、本発明の変形例のように縮流することで、１本の流体供給路の開口幅を大きく、例えば反応流路５６の開口幅Ｗａよりも大きくすることが可能となる。また、図２（Ｂ）に示すように、流体供給路５０、５２、５４が多重円筒構造なので、流体供給路５０、５２、５４に均等に流体が供給されるように、複数の流体供給配管３８、４０、４２の流体供給口が多重円筒構造の周方向に等間隔で配置されていることが好ましい。図２（Ｂ）は、流体供給配管３８、４０、４２の流体供給口を９０°間隔でそれぞれ４つずつ設けたものである。このように複数の流体供給口を配置することは、縮流していない図１のマイクロリアクター１０についても同様である。
【００４４】
図２（Ａ）に示すように、縮流する場合のテーパ部２２Ａの傾斜角度θは軸心Ｓに対して１°以上、９０°未満であり、好ましくは１°以上、６０°以下、特に好ましくは１°以上、３０°以下である。これにより、流れは急激に縮径されずにゆるやかに縮流するので、流れの壁面からの剥離、渦流、淀み等を発生しないようにできる。この場合、テーパ部２２Ａの開始位置（縮流開始位置）と終了位置（縮流終了位置）に丸みをつけて、テーパ部２２Ａを流線型形状にすることが一層好ましい。このように、テーパ部２２Ａを流線型形状にすることで、流体がスムーズに縮流されるので、流れの壁面からの剥離、渦流、淀み等を一層発生しないようにできる。
【００４５】
次に、上記のごとく構成されたマイクロリアクター１０を用いた本発明の反応方法を説明する。
【００４６】
本発明の反応方法に使用するマイクロリアクター１０の構造は、１つの反応流路５６に連通する複数の流体供給路５０、５２、５４を同心軸の多重円筒構造にして、複数の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれの流体供給路５０、５２、５４を通して反応流路５６に合流させることにより、これらの流体を同心軸状に積層させて該同心軸に直交する断面が円環状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散して反応を行わせるものを使用する。そして、本発明の反応方法では、積層された複数の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のうち、少なくとも１つの流体は他の流体との反応に関与しない流体で構成する。
【００４７】
このように、積層されて反応流路５６を流通する複数の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のうち、反応に関与する流体と反応に関与しない流体との積層の仕方を色々組み換えたり、反応に関与しない流体の流量を増減したりすることにより、同じマイクロリアクター１０で多種の反応や条件変更に対応できる。
【００４８】
図３〜図９は、本発明の反応方法の各種の態様を示すもので、反応流路５６の径方向（流体の流れに直交する方向）の断面図である。
【００４９】
図３は、２つの流体供給路に反応に関与する流体と関与しない流体の２種類の流体Ｌ１、Ｌ２を供給して、２層円環状に積層させて反応流路５６を流通させる場合である。
【００５０】
２種類の流体Ｌ１、Ｌ２のうちの１つの流体を反応に関与しない流体とした場合には反応に関与する流体は１つになるが、予め触媒等の反応を進める物質を含んだ１流体に外部からのエネルギー（光や熱等）を加えて反応させる場合の反応方法である。また、反応の過程では発熱や吸熱が起こるので、それを制御したり緩和したりするために、熱媒体として反応に関与しない流体から熱の授受を行うこともでき、また、反応に関与しない流体を反応温度の制御のために使用することもできる。この場合にも、反応に関与する流体と反応に関与しない流体との積層の仕方を色々組み換えたり、反応に関与しない流体の流量を増減したりすることにより、同じマイクロリアクター１０で多種の反応や条件変更に対応できる。例えば、反応流路５６の内周壁面側の流体Ｌ２の流量を増減すれば、外周壁面側の反応に関与する流体Ｌ１の層厚みが変化するので、多種の反応や条件変更に対応できる。
【００５１】
図４は、４つの流体供給路に反応に関与する流体と関与しない流体の４種類の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を供給して、４層円環状に積層させて反応流路５６を流通させる場合である。この場合にも反応に関与する流体と反応に関与しない流体との積層の仕方を色々組み換えたり、反応に関与しない流体の流量を増減したりすることにより、同じマイクロリアクター１０で多種の反応や条件変更に対応でき、且つ反応によって生成された凝集物や析出物で反応流路５６が目詰まりしないようにできる。
【００５２】
図５は、３つの流体供給路に反応に関与する流体と関与しない流体の３種類の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を供給して、３層円環状に積層させて反応流路５６を流通させる場合であり、反応に関与する流体Ｌ１、Ｌ３同士で形成する層流の間に、反応に関与しない流体Ｌ２の層流を挟むようにしたものである。
【００５３】
このように、反応に関与する流体Ｌ１、Ｌ３と反応に関与しない流体Ｌ２との積層の仕方を構成すれば、反応に関与しない流体Ｌ２を実質的な反応実行層とし、該反応実行層を両脇から挟む反応に関与する流体Ｌ１、Ｌ３を反応を行う溶質を供給するための一対の溶質供給層として使用することができる。即ち、反応実行層に対して両脇の一対の溶質供給層から拡散してきたそれぞれの溶質を反応実行層で適度な希釈を受けた状態で反応させることができる。これにより、高濃度条件下で溶質同士を反応させた場合に発生する凝集を防止したり、反応によって生成される反応生成物の均質化を向上させることができる。
【００５４】
図６は、４つの流体供給路に反応に関与する流体と関与しない流体の３種類の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を供給して、４層円環状に積層させて反応流路５６を流通させる場合であり、反応に関与しない流体Ｌ１を反応流路５６の外周壁面側に流し、もう一つの反応に関与しない流体Ｌ１を反応流路５６の内周壁面側に流すようにしたものである。
【００５５】
これにより、反応生成物が凝集物や析出物であっても、反応流路５６に付着して堆積することを極力防止できるので、反応流路５６の目詰まりを抑制できる。この場合、本発明のマイクロリアクター１０は、複数の流体供給路５０、５２、５４を同心軸の多重円筒構造にして反応流路５６に円環状の層流が形成されるようにし、反応流路５６の壁面が内周壁面と外周壁面の２面しかないようにしたので、反応流路５６の内周壁面と外周壁面とに接触する流体だけを考慮すればよい。また、本発明の多重円筒構造にすることで流体が滞留したり渦流を発生したりし易いコーナ部（角状の部分）がないので、反応流路５６の壁面に反応生成物の凝集物が付着堆積しにくい。この場合、多重円筒構造でなくても多重多角筒構造であれば効果はある。これに対し、断面矩形な反応流路を有する従来のマイクロリアクターの場合、上下左右の壁面への接触を考慮しなくてはならないと共に、コーナ部が４つあり、ここに凝集物や析出物が付着堆積し易い。
【００５６】
図７は、３つの流体供給路に反応に関与する流体と関与しない流体の３種類の流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を供給して、３層円環状に積層させて反応流路５６を流通させる場合であり、反応に関与しない流体Ｌ１の流量を増減するようにしたものである。
【００５７】
マイクロリアクター１０は、前述したように、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散する物質拡散が反応の基本であるため、微小空間である反応流路５６の開口幅、即ち流体の流れと直交する距離が反応の特性を決定する。従って、従来、同じマイクロリアクターで反応特性の異なる流体を反応させようとした場合には最適な反応を行うことができず、不均一な反応生成物が生成される虞があった。しかしながら、本発明の反応方法によれば、反応に関与しない流体Ｌ１の流量を増減することにより、反応に関与する流体Ｌ２、Ｌ３の流量を変えずに反応に関与する流体Ｌ２、Ｌ３の厚みを可変することができるので、反応特性の異なる流体を同じマイクロリアクター１０で取り扱うことができる。
【００５８】
例えば、図７に示すように、反応に関与しない流体Ｌ１の流量を増加することにより、図７（Ａ）から図７（Ｂ）のように、反応に関与する流体Ｌ２、Ｌ３の厚みを薄くすることができる。これにより、反応に関与しない流体Ｌ１で反応に関与する流体Ｌ２、Ｌ３を縮流して厚みを薄くすることができる。従って、本発明の反応方法を用いれば、流体供給路の開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を変えなくても、開口幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を変えたのと同じ効果を得ることができる。また、図２の変形例のように、複数の流体が合流する合流点２４近傍を縮径して流れを縮流する構造面からの縮流と、上記した反応に関与しない流体による縮流とを組み合わせることにより、更に多種多様な反応や反応条件の変更に対応することができる。
【００５９】
図８は、６つの流体供給路のうち、最内側と最外側の流体供給路に反応に関与しない流体Ｌ１を供給し、最内側と最外側の流体供給路との間の４つ流体供給流路に反応に関与する流体Ｌ２、Ｌ３が交互に配列されるようにして、規則的な環状の層流を形成するようにしたものである。
【００６０】
このように、反応に関与する流体Ｌ２とＬ３を、規則性をもった年輪状の層として配列すれば、外側と内側の両方からの拡散により反応が行われるため、反応を促進できるだけでなく、反応に関与する流体の供給量は同じでも一層あたりの流体の厚みを薄くできるので、それによっても反応は促進する。また、最内側と最外側の流体供給路に反応に関与しない流体Ｌ１を配置しておけば、反応流路５６に壁面に反応による凝集物や析出物が付着堆積することもない。
【００６１】
図９は、５つの流体供給路のうち、最内側の流体供給路から順に、反応に関与しない流体Ｌ１、抽出用流体Ｌ２、反応に関与する流体Ｌ３、反応に関与する流体Ｌ４、反応に関与しない流体Ｌ１を供給するようにしたものである。このように、反応に関与する流体Ｌ３、Ｌ４の層とは別に、反応生成物を抽出分離するための抽出用流体Ｌ２の層を形成するようにしたので、反応生成物を抽出用流体Ｌ２の層に効率的に抽出分離することができる。この場合、多段反応及び多段縮流を組み合わせることが好ましい。即ち、図９（Ｂ）に示すように、先ず、反応に関与する流体Ｌ３、Ｌ４を合流させて反応を行い、ある程度反応生成物ができたところで、流体Ｌ３、Ｌ４に抽出用流体Ｌ２を合流させて反応生成物を抽出分離する。この場合、各流体Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の層流は崩れないので、反応生成物を抽出分離した後で抽出用流体Ｌ２の層のみを分離して取り出せば、反応生成物を効率的に分離することができる。また、流体Ｌ３、Ｌ４が合流する合流点近傍、及び流体Ｌ３、Ｌ４に抽出用流体Ｌ２が合流する合流点近傍の流れを縮流することで、合流した後の流体の厚みを薄く維持できるので、反応を促進できる。
【００６２】
尚、本発明の実施の形態では、本発明の反応方法の態様例を、２流体供給路２種流体、３流体供給路３種流体、４流体供給路４種流体、４流体供給路３種流体、６流体供給路３種流体、５流体供給路４種流体の例で説明したが、流体供給路の数や流体供給路の数に対する流体の数や種類は自由に設定することが可能である。
【００６３】
【実施例】
（実施例１）
この実施例では、同心軸の多重円筒構造に形成された４流体供給路のマイクロリアクターを使用し、塩化銀（Ａｇ  Ｃｌ）の微粒子が生成される反応を行った。４流体供給路のうち、反応流路５６の内周壁面と外周壁面に接触する最内の流体供給路と最外の流体供給路には反応に関与しない流体として蒸留水を供給し、内側から２番目の流体供給路に硝酸銀流体（Ａｇ  ＮＯ３  ）を供給し、内側から３番目の流体供給路に塩化ナトリウム流体（ＮａＣｌ）を供給した。反応流路５６の開口幅は２２５μｍのものを使用した。
【００６４】
実験は、０．０５ｍｏｌ／Ｌの硝酸銀流体と０．０５ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウム流体を用い、それぞれの流体には、微粒子形成時の保護コロイドとして分子量が約２万の低分子ゼラチンを０．０６ｗｔ％となるように含有させた。流体温度は絶対温度で２９６±１Ｋ（摂氏温度で２３±１°Ｃ）とした。そして、硝酸銀流体の流量Ｑ（ｍｌ／分）及び塩化ナトリウム流体の流量Ｑ（ｍｌ／分）を同流量で、流量Ｑが１．０（ｍｌ／分）、２．０（ｍｌ／分）、３．０（ｍｌ／分）の３水準について、運転開始から経過時間に対するマイクロリアクターの圧力上昇を調べた。
【００６５】
一方、比較例として、ドイツＩＭＭ社のシングルミキサー（シリコン製、インターデジアル溝幅５０μｍ）を用い、蒸留水を使用しない以外は実施例と同様の条件で行った。
【００６６】
実施例及び比較例ともに、マイクロリアクターの流体供給路と流体供給路に流体を送液するポンプとの間の配管に圧力計をつけて圧力の変化を調べた。その結果を図１０に示す。
【００６７】
図１０から分かるように、比較例の場合には、流量Ｑが３．０（ｍｌ／分）の場合には、運転開始１分３０秒で圧力が約２００（ｋＰａ）まで急上昇し、流量Ｑが２．０（ｍｌ／分）の場合には、運転開始２分で圧力が約１００（ｋＰａ）まで上昇した。流量Ｑが１．０（ｍｌ／分）の場合には、圧力上昇が多少ゆるやかになったが、それでも運転開始４分ぐらいから圧力が急上昇しはじめ、運転開始１０分で圧力が約１５０（ｋＰａ）を超えた。このように、塩化銀（Ａｇ  Ｃｌ）の微粒子が生成される反応の場合には、微粒子が反応流路の壁面に付着堆積し易く、短時間で反応流路が目詰まりしてしまう。
【００６８】
これに対し、本発明の実施例では、流量Ｑが３．０（ｍｌ／分）の場合、運転開始から１５分まで測定したが、圧力は１０（ｋＰａ）で一定であり、流量Ｑが２．０（ｍｌ／分）の場合、運転開始から２２分まで測定したが、圧力は７（ｋＰａ）で一定であり、流量Ｑが１．０（ｍｌ／分）の場合、３０分まで測定したが、圧力上昇は殆どなかった。このように、本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法を行うことで、反応によって生成された微粒子が反応流路５６の壁面に付着することがないので、反応流路が目詰まりして閉塞することがない。これにより、目詰まりによる故障や分解掃除を極力減少することができる。
【００６９】
尚、図示しなかったが、同心軸の多重円筒構造に形成された２流体供給路のマイクロリアクターを使用し、塩化銀（Ａｇ  Ｃｌ）の微粒子が生成される反応を行った。この場合は２流体供給路であるので、反応に関与しない蒸留水は使用しなかった。その結果、反応流路５６の下流において、微粒子の反応流路壁面への付着が目立つようになり、処理時間に対する圧力上昇は、実施例と比較例の中間程度の結果であった。これにより、流体供給路を同心軸の多重円筒構造にすることによる目詰まり防止効果も認められた。これは、流体供給路を円筒状にすることで従来のマイクロリアクターのように流体供給路が四角状なことによるコーナ部がないので、コーナ部での微粒子の付着等がないためと考察される。従って、流体供給路の多重筒構造は、多重円筒構造であることが最も良く、多角筒構造の場合には円形になるべく近い方が好ましい。
【００７０】
（実施例２）フッ素ガスを用いた反応の実施例
この実施例では、同心軸の多重円筒構造に形成された４流体供給路を持つ図６で示されるようなステンレス製マイクロリアクター（反応流路５６の開口幅；２２５μｍ）を用いてフッ素化反応を行った。
図２で示される熱媒体Ｃｌとしては反応温度コントロールのために−２０℃の冷媒を循環し、図６の流体Ｌｌとして反応に関与しない溶媒であるパーフルオロヘキサンを流した。次に流体Ｌ２として窒素中の１０体積％フッ素ガスを流し（１０ｍｌ／ｍｉｎ）、流体Ｌ３としてＦ−１１３（１，１，２−トリクロロトリフルオロエタン）によって希釈したアセト酢酸エチル（濃度１０重量％）を５ｍｌ／ｈの流速で流した。
得られた反応液を高速液体クロマトグラフィにて分析すると、変換収率８５％、選択率９７％で２−フルオロアセト酢酸エチルが得られていることがわかった。また、従来のフラスコ反応においては無視できない量が生成する２，２−ジフルオロアセト酢酸エチルの生成は３％以下で少なかった。
また、フッ素ガスが装置に接触することがないので、装置の腐食はほとんど観測されなかった。
【００７１】
（実施例３）有機顔料合成の実施例
この実施例では、同心軸の多重円筒構造に形成された６流体供給路を持つ図８で示されるようなステンレス製マイクロリアクター（反応流路５６の開口幅；３００μｍ）を用いて次に示す反応式の有機顔料合成反応を行った。
【化１】
2005046651.tif 000003
図１で示される熱媒体Ｃｌとしては、反応温度コントロールのために１８０℃に加熱したシリコンオイルを循環し、図８の流体Ｌｌとして８０℃の溶媒である１，２−ジクロロベンゼンを流した。次にＬ２として上記化合物（Ａ）３７．９ｇ（０．１ｍｏｌ）を１，２−ジクロロベンゼン３００ｍｌに８０℃で懸濁した溶液を、流体Ｌ３として上記化合物（Ｂ）８．９ｇ（０．０５ｍｏｌ）を１，２−ジクロロベンゼン３００ｍｌに溶かし８０℃に加熱した溶液をそれぞれ６ｍｌ／ｍｉｎの流速でピストンポンプにて流した。
得られた上記化合物の顔料（Ｃ）の懸濁液を分析したところ、純度は９５％以上であった。また、流路が閉塞する現象は観測されなかった。
【００７２】
（実施例４）有機銀塩合成の実施例
この実施例は、同心軸の多重円筒構造に形成された４流体供給路を持つ図６で示されるようなステンレス製マイクロリアクター（反応流路５６の開口幅；３００μｍ）を用いて有機銀塩合成反応を行った。
図１で示される熱媒体Ｃｌとしては、反応温度コントロールのために３５℃の水を循環し、図６の流体Ｌｌとして３５℃の蒸留水を流した。次に流体Ｌ２として７５℃で保温したべへン酸を主成分とした脂肪酸ナトリウム水溶液（２．６モルの脂肪酸を蒸留水４．２Ｌ、５ｍｏｌ／Ｌ濃度のＮａＯＨ水溶液５００ｍｌ、ｔ−ブタノール１．２Ｌを混合し、７５℃にて１時間撹拌して調製）を、流体Ｌ３として１０℃にて保温した硝酸銀水溶液（硝酸銀４００ｇを蒸留水に溶かし２．１Ｌとした水溶液。ｐＨ４．０）をそれぞれ１０ｍｌ／ｍｉｎの流速でピストンポンプにて流した。
得られた有機銀分散液ＬＭはかなり安定であった。また、反応において流路が閉塞する現象は観測されなかった。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマイクロリアクターによれば、同じマイクロリアクターで多種の反応や条件変更に対応でき、且つ反応によって生成された凝集物や析出物で反応流路が目詰まりして閉塞することがないので、故障や分解掃除を極力減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法を適用するマイクロリアクターの全体構成を説明する断面図
【図２】マイクロリアクターの変形例を説明する部分拡大図
【図３】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法の態様を説明する反応流路の断面図
【図４】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法の別の態様を説明する図で、４流体供給路４種流体の反応流路の断面図
【図５】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法の別の態様を説明する図で、反応に関与する流体の間に反応に関与しない流体を挟む３流体供給路３種流体の反応流路の断面図
【図６】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法の別の態様を説明する図で、反応流路の内周壁面と外周壁面に接触する流体として反応に関与しない流体を配置した４流体供給路３種流体の反応流路の断面図
【図７】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法の別の態様を説明する図で、反応に関与しない流体の流量を増加することにより反応に関与する流体の厚みを薄くするようにした３流体供給路３種流体の反応流路の断面図
【図８】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法の別の態様を説明する図で、反応に関与する流体を規則的な環状の層流を形成するようにした６流体供給路３種流体の反応流路の断面図
【図９】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法の別の態様を説明する図で、反応に関与する流体同士で形成する層とは別に、その反応生成物を抽出分離するための抽出用流体の層を形成した５流体供給路４種流体の反応流路の断面図
【図１０】本発明のマイクロリアクターを用いた反応方法の実施例の説明図
【符号の説明】
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４…流体、ＬＭ…反応流体、１０…マイクロリアクター、２２…円管部、２２Ａ…テーパ部、２４…合流点近傍、２６…吐出口、２８…フランジ部、３０…蓋板、３２…嵌挿穴、３４…整流部材、３７…円錐部、３８、４０、４２…流体供給配管、４３…第１隔壁部材、４４…第２隔壁部材、５０…第１流体供給路、５２…第２流体供給路、５４…第３流体供給路、５６…反応流路  、５８、６０、６２…スペーサ、６４、６６、６８…流体供給口、７０…出液路、７２、７４…ジャケット、７６…熱媒体供給管、７８…スペーサ、８０…供給口、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…第１、第２、第３の流体供給路の開口幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005046651.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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